空地遙控設(shè)計思路與實現(xiàn)路徑

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本文作者：劉滿堂、杜剛 單位：中國西南電子技術(shù)研究所

1（略）

2（略）

2.1功能及系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要功能:實現(xiàn)機載局域網(wǎng)計算機與地面局域網(wǎng)計算機的互聯(lián)互通;實現(xiàn)機載地面寬帶數(shù)據(jù)鏈接,實現(xiàn)對機載系統(tǒng)遙控;機載被控系統(tǒng)工作狀態(tài)能夠?qū)崟r傳輸?shù)降孛孢b控系統(tǒng)并顯示。系統(tǒng)由機載和地面兩部分組成。機載設(shè)備包括被控被控計算機、機載網(wǎng)關(guān)設(shè)備、機載寬帶數(shù)傳設(shè)備等;地面設(shè)備包括遙控計算機、地面網(wǎng)關(guān)設(shè)備、地面寬帶數(shù)傳設(shè)備等。系統(tǒng)組成如圖1所示,其中最關(guān)鍵的設(shè)備是網(wǎng)管設(shè)備和寬帶數(shù)傳設(shè)備。機載網(wǎng)管設(shè)備主要功能是將被控計算機送來的TCP/IP格式數(shù)據(jù)包進行相關(guān)處理再送至機載寬帶數(shù)傳設(shè)備;寬帶數(shù)傳設(shè)備進行TDMA協(xié)議處理、糾錯編碼及調(diào)制后通過無線信道發(fā)送到地面寬帶數(shù)傳設(shè)備。

2.2方案設(shè)計

以遠程計算機控制技術(shù)為基礎(chǔ),采用Symantec公司的PcAnywhere遠程控制軟件,開發(fā)IP網(wǎng)關(guān)和寬帶傳輸設(shè)備,建立面向連接的TCP/IP無線通道,實現(xiàn)遙控功能。為實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包通過無線網(wǎng)絡(luò)透明傳輸,協(xié)調(diào)無線網(wǎng)絡(luò)與有線以太網(wǎng)之間數(shù)據(jù)流量的平衡,必須在以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)之間構(gòu)建一無線網(wǎng)關(guān),實現(xiàn)從以太網(wǎng)截獲的數(shù)據(jù)包到無線鏈路之間幀格式的平滑轉(zhuǎn)換以及其逆過程。無線網(wǎng)關(guān)與寬帶數(shù)傳設(shè)備配合,與無線網(wǎng)絡(luò)上對等的無線網(wǎng)關(guān)進行透明通信,完成機載局域網(wǎng)絡(luò)到地面遙控局域網(wǎng)絡(luò)的無縫橋接,最終實現(xiàn)地面遠程控制軟件跨越地空無線通信網(wǎng)絡(luò),成功控制遠端載機應(yīng)用軟件的目的。

本方案設(shè)計中,遠程控制軟件服務(wù)端程序與被控系統(tǒng)應(yīng)用程序運行于統(tǒng)一環(huán)境———機載被控計算機;地面遠程控制軟件客戶端程序安裝于主控計算機,無線網(wǎng)關(guān)軟件安裝于機載和地面專用工控制計算機。

2.3工作原理

系統(tǒng)加電工作,啟動被控計算機PcAnywhere服務(wù)端軟件,操作人員以給定的用戶名和預(yù)分配密碼從地面主控計算機遠程登錄機載被控計算機。獲得機載被控計算機授權(quán)后,PcAnywhere服務(wù)端程序?qū)@取機載被控計算機顯示界面信息,打包形成TCP/IP格式數(shù)據(jù)包送機載無線網(wǎng)關(guān),機載無線網(wǎng)關(guān)進行相關(guān)處理再送至機載寬帶數(shù)傳設(shè)備。寬帶數(shù)傳設(shè)備進行TDMA協(xié)議處理、糾錯編碼及調(diào)制后通過無線信道發(fā)送到地面寬帶數(shù)傳設(shè)備。地面寬帶數(shù)傳設(shè)備將收到的無線信號進行解調(diào)、糾錯譯碼及TDMA協(xié)議處理后送地面無線網(wǎng)關(guān)。地面無線網(wǎng)關(guān)對收到的信息進行機載無線網(wǎng)關(guān)逆處理,并將重構(gòu)后TCP/IP格式數(shù)據(jù)包發(fā)送至地面遙控計算機,運行于該計算機上的遠程控制客戶端軟件將收到的TCP/IP格式數(shù)據(jù)包恢復(fù)為機載被控計算機界面顯示信息,并顯示到地面遙控計算機上[2]。此時,操作員就能在地面遙控計算機上看到機載被控計算機的界面了,具備遠程遙控操作機載被控計算機的能力。

在地面遙控計算機顯示的機載被控計算機界面上雙擊系統(tǒng)應(yīng)用軟件圖標(biāo),這種情況下PcAnywhere客戶端會將鼠標(biāo)的點擊動作信息和位置信息收集打包上傳到機載被控計算機,其過程類似機載被控計算機顯示界面的傳輸,僅是傳輸方向不同。當(dāng)機載被控計算機上的PcAnywhere服務(wù)器端軟件將收到地面遙控計算機上傳的鼠標(biāo)位置和動作信息恢復(fù)為相應(yīng)的操作系統(tǒng)動作,于是啟動機載被控計算機上的系統(tǒng)應(yīng)用軟件。機載被控計算機上系統(tǒng)應(yīng)用軟件的啟動帶來機載被控計算機畫面的大幅更新,于是又激發(fā)新一輪機載被控計算機顯示界面的下傳過程。

地面遙控計算機更新為機載被控計算機上系統(tǒng)應(yīng)用軟件界面后,地面操作人員就如同在本機上一樣對機載任務(wù)系統(tǒng)進行操作控制。當(dāng)?shù)孛嬷骺赜嬎銠C有鍵盤或鼠標(biāo)指令時,會重復(fù)類似于啟動機載被控計算機上系統(tǒng)應(yīng)用軟件時的工作過程;當(dāng)?shù)孛嬷骺赜嬎銠C有鍵盤、鼠標(biāo)指令或機載設(shè)備主動上報狀態(tài)導(dǎo)致機載被控計算機顯示界面更新,會重復(fù)類似于機載被控計算機系統(tǒng)應(yīng)用軟件界面下傳過程。

2.4關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1寬帶數(shù)傳設(shè)備技術(shù)

基于遙控系統(tǒng)需求,進行數(shù)據(jù)傳輸體制、消息內(nèi)容與格式、處理與變換等研究,建立穩(wěn)定可靠的空地寬帶數(shù)據(jù)鏈接,是實現(xiàn)地空無線遙控功能的關(guān)鍵之一。

2.4.2網(wǎng)關(guān)技術(shù)

網(wǎng)關(guān)是實現(xiàn)機載局域網(wǎng)上計算機與地面局域網(wǎng)上計算機透明TCP/IP傳輸?shù)淖铌P(guān)鍵技術(shù)[3]。網(wǎng)關(guān)的主要功能是在以太網(wǎng)和無線鏈路之間完成幀格式的轉(zhuǎn)換(截獲TCP/IP協(xié)議中IP層輸入數(shù)據(jù),按照要求格式打包后送寬帶數(shù)傳設(shè)備傳輸,數(shù)據(jù)傳輸時網(wǎng)關(guān)還要實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)的緩存、流量控制、自動重傳等,在接收到從無線鏈路來的數(shù)據(jù)后,還原成IP數(shù)據(jù)并從指定以太網(wǎng)口發(fā)送出去),通過無線鏈路與其他網(wǎng)關(guān)進行通信,實現(xiàn)空地局域網(wǎng)計算機的互聯(lián)[4]。

2.4.3遠程遙控技術(shù)

遠程遙控技術(shù)是實現(xiàn)地空無線遙控3項關(guān)鍵技術(shù)之一。遠程遙控較常用的兩種協(xié)議是專用協(xié)議和通用協(xié)議。

(1)訂制專用協(xié)議

制定專用的地空遙控協(xié)議(類似無人機測控協(xié)議),優(yōu)點是相對于通用協(xié)議可以適當(dāng)降低遙控信道傳輸速率,但需要開發(fā)適于被遙控系統(tǒng)的嵌入式軟件、可擴展性差,需要對機載原有系統(tǒng)進行升級改造,開發(fā)成本較高。

(2)使用通用協(xié)議

研發(fā)遙控系統(tǒng)的目是為了提高試飛訓(xùn)練效率,降低試飛訓(xùn)練風(fēng)險,不影響原有任務(wù)系統(tǒng)運行,采用PcAnywhere遠程遙控軟件成本低,但信道傳輸速率相對較高。PcAnywhere遠程遙控簡單來說就是將完整的窗口界面通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪慌_計算機的屏幕上,并能將鼠標(biāo)鍵盤指令傳回被控計算機,并具有跨平臺的特性。綜合分析后作者認為地空遙控系統(tǒng)采用PcAnywhere遠程遙軟件比較合適。

3關(guān)鍵技術(shù)測試驗證確定地空遙控系統(tǒng)基本狀態(tài)之后,基于關(guān)鍵技術(shù)研究成果繼續(xù)開展測試驗證,為遠程遙控系統(tǒng)實驗室仿真試驗和機載地面聯(lián)試奠定基礎(chǔ)。

3.1遠程遙控軟件———PcAnywhere

測試PcAnywhere軟件遠程遙控時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量,并與網(wǎng)關(guān)設(shè)備和寬帶傳輸設(shè)備能力比較,驗證軟件與硬件適配性。PcAnywhere數(shù)據(jù)流量測試環(huán)境如圖2所示。主控端計算機與被控端計算機通過本地局域網(wǎng)建立鏈接,用遠程控制客戶端程序操作被控計算機,采用360網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視軟件監(jiān)視主控端計算機與被控端計算機在遠程遙控時雙向的數(shù)據(jù)傳輸流量,監(jiān)視到的數(shù)據(jù)傳輸流量如表1所示。

3.2網(wǎng)關(guān)軟件

測試網(wǎng)關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理能力,測試環(huán)境如圖3所示。測試計算機1和測試計算機2上安裝測試軟件,兩計算機通過網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)橋接軟件建立IP網(wǎng)絡(luò)鏈接。使用測試軟件在測試計算機1和測試計算機2之間進行雙向傳輸文件,在測試軟件上監(jiān)視到的文件傳輸速率見表2。

3.3寬帶數(shù)傳設(shè)備性能測試

測試寬帶數(shù)傳設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、時延,數(shù)據(jù)傳輸性能測試環(huán)境如圖4所示。測試計算機1、測試計算機2安裝專用數(shù)傳速率測試軟件,測試計算機1、測試計算機2通過寬帶數(shù)傳設(shè)備無線連接。使用專用數(shù)傳測試軟件進行雙向數(shù)據(jù)傳輸,最終得到測試結(jié)果見表3。

4實驗室仿真測試

2011年5月,在實驗室搭建了遠程遙控系統(tǒng)仿真測試環(huán)境,用該仿真測試環(huán)境驗證無線網(wǎng)關(guān)算法,測試遙控過程上、下行數(shù)據(jù)流量等。實驗室仿真測試環(huán)境主要由機載、地面寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器等構(gòu)成。寬帶傳輸設(shè)備模擬器具有傳輸速度控制、時延調(diào)整和誤碼輸入功能,用這些功能模擬無線網(wǎng)絡(luò)的速率、時延和誤碼。實驗室遠程遙控系統(tǒng)仿真測試環(huán)境如圖5所示。主控端計算機、被控端計算機通過網(wǎng)關(guān)程序和寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器連接,并將機載寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器的發(fā)送速率設(shè)置為3Mbyte/s,時延設(shè)置為100ms;地面寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器的發(fā)送速率設(shè)置為80kbyte/s、時延設(shè)置為100ms;主控端計算機使用PcAnywhere客戶端軟件控制被控端計算機。在主控端計算機遠程控制操作結(jié)束后,測試結(jié)果如下:

(1)主控計算機能夠通過網(wǎng)關(guān)和寬帶數(shù)傳設(shè)備模擬器建立的TCP/IP通道鏈接到被控計算機上;(2)主控計算機能夠通過PcAnywhere客戶端程序遠程控制被控端計算機;

(3)主控計算機遠程遙控被控計算機時,簡單操作(移動一下鼠標(biāo)、鍵盤的一個輸入)主控計算機上遠程遙控客戶端軟件的反應(yīng)速度很快,基本感覺不到延時;

(4)主控計算機遠程遙控被控計算機時,復(fù)雜操作(連續(xù)移動鼠標(biāo)、或者是有新的界面彈出)主控計算機上的遠程遙控客戶端軟件界面操作結(jié)果有約2s時延。

5機載地面聯(lián)試

2011年6月,在試飛外場結(jié)合某產(chǎn)品試飛,進行機載地面遠程遙控系統(tǒng)聯(lián)試,試驗采用全部的實裝設(shè)備,驗證在真實環(huán)境條件下遠程遙控系統(tǒng)功能。機載地面聯(lián)試環(huán)境如圖6所示。外場機載地面聯(lián)試試驗結(jié)果與實驗室仿真測試環(huán)境下測試結(jié)果相同。

6結(jié)束語

實驗室模擬聯(lián)試和外場機上地面聯(lián)試試驗結(jié)果表明:基于IP傳輸?shù)牡乜諢o線遙控系統(tǒng)基本實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo),其設(shè)計思路和技術(shù)實現(xiàn)途徑對于未來工程實現(xiàn)地空無線遙控系統(tǒng)具有參考價值,特別是實時性要求相對較低的試飛試驗領(lǐng)域。系統(tǒng)所采用的網(wǎng)關(guān)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)遙控技術(shù)等,在寬帶IP網(wǎng)絡(luò)、無人機遙控等方面具有較好的推廣應(yīng)用前景。對關(guān)于復(fù)雜操作出現(xiàn)時延的問題,初步分析是由于寬帶數(shù)傳設(shè)備上行速率較低(只有80kbyte/s)所致,工程實現(xiàn)上可以適當(dāng)提高寬帶數(shù)傳設(shè)備上行速率解決此問題。